Charles Roger Ribeiro
ANÁLISE DE ESTABILIDADE GLOBAL DE
BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO
ESTUDO DE CASO: PCH XAVANTINA-SC
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, como requisito parcial para obtenção do título em Engenharia, área Civil. Patrícia de Oliveira Faria, PhD.
Florianópolis 2015
Charles Roger Ribeiro
ANÁLISE DE ESTABILIDADE GLOBAL DE BARRAGENS DE TERRA E ENROCAMENTO
ESTUDO DE CASO: PCH XAVANTINA-SC
Este trabalho de conclusão de curso foi julgado adequado para obtenção do Título de “Engenheiro Civil”, e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Civil.
Nota final: 10
Local, 13 de julho de 2015. Banca Examinadora:
Patrícia de Oliveira Faria, PhD. Orientadora
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Marcos Noronha, PhD; Universidade Federal de Santa Catarina
Eng. Marcelo Manoel Fernandes Geoenergy
Engª Jaqueline Antunes Ferreira Engevix
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por iluminar o meu caminho, pela oportunidade de ingressar e concluir o curso de Engenharia Civil da UFSC,
A minha amada Emily, agradeço pelo amor, compreensão, carinho e pelo incentivo em todos os momentos.
Aos meus pais Rogério e Inácia, não só porque são responsáveis pela minha formação, mas também pelo esforço que fizeram para que isto fosse possível motivados por um amor incondicional. Aos meus irmãos, Magno e Marlô que sempre estiveram ao meu lado e deram base para enfrentar os desafios que a vida oferece.
Agradeço a família Justino, Marcos, Ediles e Evelyn que me acolheram sempre de braços abertos.
A professora Patrícia, minha orientadora pela disponibilidade e por acreditar no meu potencial.
Ao Engenheiro Marcelo Fernandes, pelo exemplo de pessoa e profissional o qual me deu a oportunidade de enfrentar meus primeiros desafios na vida profissional, além dos ensinamentos transmitidos durante o nosso convívio.
A empresa Geoenergy por abrir as portas para mim e permitir o uso de sua estrutura e banco de dados para que esta pesquisa pudesse ser desenvolvida.
A todos meus amigos da GeoEnergy, AD Floripa, Tribo, HC3 e UFSC pela parceria, carinho e palavras de apoio.
RESUMO
Neste trabalho são apresentados os coeficientes de segurança de estabilidade dos taludes da barragem de terra enrocamento da PCH Xavantina, localizada em Santa Catarina. Foi discretizado um modelo em elementos finitos para avaliar inicialmente a percolação da água pela barragem e fundação, e, determinar a posição da linha freática que se estabelece no maciço. Para esta avaliação utilizou-se o software Seep/W da GeoStudio, introduzindo as características geotécnicas dos materiais obtidos em ensaios de laboratório e valores típicos encontrados na literatura. A partir da análise de percolação, avaliou-se a estabilidade dos taludes de montante e jusante no software Slope/W que determinou as superfícies críticas de ruptura através do método de equilíbrio limite, nas condições de percolação em regime permanente, rebaixamento rápido do reservatório e final de construção. Os coeficientes de segurança demostraram que os taludes são estáveis e possuem um nível de segurança suficiente quando comparados com os fatores mínimos recomendados no Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas (UHE) da Eletrobrás. Através dos critérios de filtro de Terzaghi, verificou-se a granulometria dos materiais nas interfaces da seção da barragem contra erosão regressiva, e foi possível concluir que os materiais foram adequadamente dimensionados no projeto para que não houvesse carreamento de partículas. Em relação à geometria da barragem, quando comparada às dimensões típicas preliminares encontradas no Critério de Projeto Civil para UHE, conclui-se que o talude de jusante da barragem foi dimensionado de forma ousada pelo projetista, que adotou uma inclinação mais íngreme que o recomendado, porém sem prejudicar a segurança que foi confirmada pelos resultados de estabilidade.
Palavras-chave: Barragens de Terra, Enrocamento, Estabilidade, Taludes, SLOPE, SEEP, Percolação, coeficiente de segurança.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Seção típica barragem homogênea (Eletrobrás, 2000)...27
Figura 2.2 – Seção típica barragem de enrocamento (Eletrobrás, 2000)...27
Figura 2.3- Inclinações preliminares de taludes (Cruz, 2004)...28
Figura 2.4 – Rede de fluxo pelas fundações de uma barragem de concreto (SOUZA PINTO, 2006)...30
Figura 2.5 – Rede de fluxo pelo interior de barragens de terra (SOUZA PINTO, 2006)...31
Figura 2.6 – Modelo reduzido (fonte: MARQUES E UNAS, 2010)..32
Figura 2.7 – Inclinação do plano de ruptura do solo em relação ao plano principal maior (Das, 2007)...35
Figura 2.8 – Circulo de Mohr e envoltória de ruptura (Das, 2007)...35
Figura 2.9 – Forças atuantes numa superfície cilíndrica (WHITMAN, 1963)...38
Figura 2.10 – Forças atuantes em uma fatia vertical (Sarma, 1979)...39
Figura 3.1 – Imagem aérea da usina...43
Figura 3.2 - Arranjo geral da PCH...44
Figura 3.3 – Principais estruturas...45
Figura 3.4 - mapa de localização da PCH Xavantina...46
Figura 3.5 - localização da barragem em relação ao rio Irani...47
Figura 3.6 – Planta de localização de sondagens...48
Figura 3.7 - Seção geológica passando pelo eixo da barragem...51
Figura 3.8 – Seção Geológica passando pelo circuito de geração..51
Figura 3.9 - Filtro, transições e enrocamento da barragem - PCH Xavantina...53
Figura 3.10 – Curva granulométrica argila...53
Figura 3.11 – Espalhamento da camada de argila na barragem...56
Figura 3.12 – Tratamento da argila no núcleo da barragem...58
Figura 3.13 – Seção típica da barragem...61
Figura 3.14 –Cortina de injeções na fundação da barragem...67
Figura 4.1 – Seção da barragem da PCH Xavantina...71
Figura 4.2 – Análise de percolação – Carregamento excepcional (NA máximo) Tempo de recorrência 1.000 anos...74
Figura 4.3 – Analise de Percolação Regime de Operação (NA Normal)...75
Figura 4.4 - Coeficientes de segurança mínimos recomendados (Cruz, 2004)...80
Figura 4.6 - Análise de estabilidade - carregamento excepcional - montante...83 Figura 4.7 – Análise de estabilidade – período final de construção – montante...84 Figura 4.8 – Análise de estabilidade – rebaixamento rápido – montante...85 Figura 4.9 - Análise de Estabilidade – Carregamento Normal – Jusante...86 Figura 4.10 - Análise de estabilidade - carregamento excepcional - jusante...87 Figura 4.11 - Análise de estabilidade - período final de construção – jusante...88
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Inclinação recomendada para taludes (Eletrobrás,
2000)...26
Tabela 2.2 – Valores típicos de coeficiente de permeabilidade (SOUZA PINTO, 2006)...29
Tabela 2.3 – Características dos métodos das fatias não rigorosos (DE CAMPOS, 1985)...40
Tabela 2.4 - Características dos métodos das fatias rigorosos (DE CAMPOS, 1985)...41
Tabela 3.1 – Principais dados do projeto...45
Tabela 3.2 – Dados das sondagens...48
Tabela 3.3 – Caracterização resumida do maciço rochoso de fundação...50
Tabela 3.4 – materiais de construção da barragem...52
Tabela 3.5 - Parâmetros do solo argiloso...55
Tabela 3.6 – Resumo controle compactação e umidade pelo método Hilf (março 2015)...59
Tabela 3.7 – Verificação proteção contra pipping e permeabilidade (Solo argiloso X Filtro de areia)...64
Tabela 3.8 – Verificação proteção contra pipping e permeabilidade (Filtro X Granilha – T2)...64
Tabela 3.9 - Verificação proteção contra pipping (Granilha – T2 X Brita 1 – T1)...65
Tabela 3.10 - Verificação proteção contra pipping (Brita 1 – T1 X Enrocamento)...65
Tabela 4.1 Coeficiente de permeabilidade (k) dos Materiais...72
Tabela 4.2 - Parâmetros de resistência dos materiais...77
Tabela 4.3 – Valores típicos do parâmetro ru (Assis, 2003)...79
Tabela 4.4 – Coeficientes de segurança recomendados (ELETROBRÁS, 2003)...80
SUMÁRIO 1 Introdução...15 1.1 Justificativa...15 1.2 Objetivos...16 1.3 Metodologia...16 1.3.1 Pesquisa Bibliográfica...16
1.3.2 Estudo do Projeto e Verificações...16
1.3.3 Parâmetros e Seções...17
1.3.4 Dimensionamento do sistema de drenagem...17
1.3.5 Análise de percolação...18
1.3.6 Análise de estabilidade...18
1.4 Estrutura do Trabalho...18
2 Revisão Bibliográfica...21
2.1 Barragens de Terra e Enrocamento...21
2.1.1 Barragem de terra...22 2.1.2 Barragem de enrocamento...24 2.1.3 Dimensões Básicas...255 2.2 Fluxo em Barragens...288 2.2.1 Coeficiente de Permeabilidade (k)...29 2.2.2 Fluxo Bidimensional...30
2.2.3 O Método dos Elementos Finitos (MEF)...333
2.3 Estabilidade de Taludes em Barragens...344
2.3.1 Os métodos de equilíbrio limite...377
3 Estudo de Caso: Barragem PCH Xavantina...43
3.1 Aspectos Gerais do Projeto...43
3.2 Aspectos geológico-geotécnicos...47 3.2.1 Programa de sondagens...47 3.2.2 Seção Geológica...50 3.3 Materiais de Construção...52 3.3.1 Programa de Ensaios...53 3.3.2 Argila...54 3.3.3 Rochas...56 3.3.4 Areia...57 3.3.5 Compactação do Solo...57 3.4 Seção da Barragem...59 3.4.1 Sistema de Drenagem...62
3.4.2 Prevenção contra pipping...62
3.4.3 Sistema de Vedação...65
4.1 Análise de Percolação...69
4.1.1 Método de Análise...72
4.1.2 Software Seep/W......72
4.1.3 Resultado das Análises de Percolação...73
4.2 Análise de Estabilidade Global da Estrutura...76
4.2.1 Métodos de Análise...77
4.2.2 Condições de Carregamento....78
4.2.3 Coeficientes de Segurança (FS)....79
4.2.4 Resultado das Análises de Estabilidade dos Taludes..80
5 Conclusão...91
REFERÊNCIAS...93
1. INTRODUÇÃO 1.1 Justificativa
A construção de barragens é tão antiga quanto a História do homem e há registros da construção de barragens em praticamente todas as culturas. Embora tanto o número como a altura das barragens tenha crescido significativamente, a prática de construir barramentos em rios, com objetivo de represar a água para consumo, para irrigação e mesmo para mover rodas foi uma constante na História da Humanidade (CRUZ, 1996)
Após a construção de mais de 100.000 barragens no mundo, não existem dúvidas que há séculos estas estruturas produzem benefícios imensuráveis ao ser humano. Atualmente aplicam-se aos mais variados fins dentre eles: a defesa contra inundações, o abastecimento, o combate às secas, a irrigação, a navegação, a disposição de rejeitos e especialmente, a utilização de barragens para geração de energia elétrica que é o tema a ser estudado neste trabalho.
Pode-se afirmar que já se estabeleceu base científica para o projeto construção e operação destas estruturas com segurança. O desenvolvimento de métodos numéricos e técnicas computacionais permitem hoje uma avaliação mais eficiente da segurança de projeto destas estruturas nas diversas fases de sua existência.
O tipo de barragem é escolhido em função das características topográficas e geológico-geotécnicas do sítio, a disponibilidade de materiais naturais de construção e o processo construtivo a ser utilizado. Em função das condições topográficas, com vales muito abertos e da disponibilidade de material as barragens homogêneas de terra e mistas, de terra e enrocamento são as mais utilizadas, além disso apresentam o benefício da versatilidade da fundação, uma vez que barragens de terra permitem a construção sobre solos de boa resistência.
No entanto, visto a complexidade de uma estrutura de barragem, o elevado número de parâmetros e formulações matemáticas dos cálculos de estabilidade de taludes e as desastrosas consequências que um deslizamento de talude pode causar, é imprescindível o estudo contínuo dos processos de cálculos de estabilização e a precisa simulação do fluxo através do maciço e fundação que interferem diretamente na estabilidade global da estrutura.
1.2 Objetivos
Segundo Massad (2003) o projeto de uma barragem de terra deve pautar-se por dois princípios básicos: segurança e economia.
A segurança de uma barragem de terra e enrocamento é o princípio preponderante. Dela dependem vidas humanas, bens comunitários e bens individuais e deve ser garantida quanto: ao transbordamento; ao pipping; à ruptura dos taludes artificiais, de montante e jusante; ao efeito das ondas e ao efeito erosivo das águas das chuvas.
Dentro deste contexto este trabalho propõe-se a:
• Estudar a segurança de barragens de terra e enrocamento, especificamente contra a ruptura de taludes;
• Fazer um estudo do projeto da barragem da PCH Xavantina e compará-lo aos critérios de projeto de barragens da Eletrobrás;
• Analisar a estabilidade da barragem citada e apresentar os Fatores de Segurança à ruptura global do maciço.
1.3 Metodologia
Para execução desta pesquisa, foram desenvolvidas as seguintes etapas:
1.3.1 Pesquisa Bibliográfica
O trabalho foi iniciado com uma pesquisa bibliográfica, a fim de reunir os conceitos, e informações sobre o tema estudado. O material utilizado para embasamento teórico foi literatura especializada, normas técnicas, artigos técnicos e os critérios de projetos para usinas hidrelétricas e pequenas centrais hidrelétricas conforme consta a bibliografia.
1.3.2 Estudo do Projeto e Verificações
Apresentadas as fundamentações teóricas sob a qual o trabalho foi baseado, iniciou-se o estudo do Projeto da PCH Xavantina, através do banco de dados da projetista da barragem que forneceu: desenhos de projetos da barragem, dados de sondagens, ensaios dos materiais de construção da barragem, softwares, visitas a campo e as demais necessidades técnicas e físico-estruturais para que se pudessem realizar as análises computacionais de percolação e estabilidade da barragem.
1.3.3 Parâmetros e Seções
Em posse dos desenhos de projeto, ensaios e sondagens, foi observada, primeiramente, a posição do eixo do barramento e verificados quais eram as sondagens rotativas e percussivas existentes nesta região do empreendimento. Através do ensaio de perda d’água realizado nas sondagens rotativas, foi determinado o coeficiente de permeabilidade (k) da fundação da barragem. Em relação à resistência ao cisalhamento do maciço rochoso de basalto da fundação, foram adotados parâmetros típicos consagrados na literatura de acordo com Cruz (2004).
A seção da barragem utilizada para as análises de percolação e estabilidade foi retirada do projeto, o qual apresenta uma seção zoneada envolvendo os seguintes materiais: espaldares de jusante e montante em enrocamento, núcleo em solo compactado, filtro de areia natural, transição 1 composta por granilha, transição 2 composta por brita 1.
Os coeficientes de permeabilidade do solo compactado foram verificados em ensaio de permeabilidade com carga variável em laboratório. Para os demais materiais foram adotados coeficientes de permeabilidade típicos já estabelecidos na bibliografia técnica, em função da granulometria de cada material.
Os parâmetros de resistência do solo compactado foram verificados em laboratório através de ensaio. Para os demais materiais utilizaram-se parâmetros típicos estabelecidos na bibliografia de mecânica dos solos.
A geometria da seção foi comparada com as prescrições do compêndio Diretrizes para estudos de projetos de PCH – Eletrobrás (2000) e Critérios de Projetos Civis de Usinas Hidrelétricas – Eletrobrás (2003).
1.3.4 Dimensionamento do sistema de drenagem Por fim foi verificada a prevenção contra pipping, utilizando o Critério de Filtro de Terzaghi, com auxílio do software Office Excel (Microsoft), com base nos dados da granulometria de cada material.
Como trata-se de uma barragem mista que tem espaldares de jusante e montante de material resistente e permeável não foi realizado o dimensionamento geométrico do filtro, apenas verificou-se as dimensões mínimas executivas.
1.3.5 Análise de percolação
As análises de percolação foram realizadas através do software Seep/W (GeoStudio) que utiliza o método de elementos finitos para a modelagem do movimento da água no maciço e fundação. Os dados de entrada e as características de permeabilidade dos materiais foram obtidos através de ensaio de laboratório e ensaios de campo no caso da rocha de fundação. Para a areia e enrocamentos foram utilizados parâmetros de permeabilidade típicos encontrados na literatura.
1.3.6 Análise de estabilidade
Após a determinação das linhas freáticas, e consequentemente da porção saturada da seção do barramento estudado, procedeu-se às análises de estabilidades dos taludes. A verificação da estabilidade foi desenvolvida através do programa computacional Slope/W que utiliza o métodos de equilibro limite para realizar as análises. Foram estudadas superfícies hipotéticas cilíndricas de ruptura dos taludes de montante e jusante da barragem correspondente às seguintes condições de carregamento: período final de construção, regime permanente de operação (reservatório com nível d’água normal), carregamento excepcional (reservatório com nível d’água máximo) e rebaixamento rápido do reservatório.
As análises de estabilidade foram executadas individualmente para os taludes de montante e jusante e calculados os fatores de segurança a ruptura global da estrutura. Estes foram comparados àqueles especificados na literatura e nos critérios de projeto da Eletrobrás.
1.4 Estrutura do Trabalho
O presente trabalho foi organizado em quatro capítulos que buscam sintetizar a temática geral do assunto, o estudo de caso abordado e as simulações numéricas implementadas para avaliação da percolação e estabilidade de barragens de terra e enrocamento.
O Capitulo 1 apresenta a síntese geral da proposta desenvolvida, os principais objetivos da pesquisa e a estruturação do trabalho;
O Capitulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica do tema geral, sendo abordados os princípios gerais de projeto de barragens de terra e enrocamento, os aspectos básicos dos mecanismos de percolação através
do solo e os métodos disponíveis para determinação de um coeficiente de segurança contra a ruptura de taludes de barragens;
O Capitulo 3 apresenta o estudo de caso da PCH Xavantina, descrevendo as principais características do projeto, o resultado das investigações geotécnicas, dos ensaios e os principais aspectos construtivos da barragem. Além disso, neste capítulo é apresentado o dimensionamento das transições para prevenção contra o pipping utilizando os critérios de filtro de Terzaghi;
No Capitulo 4 são efetuadas as simulações numéricas de percolação da água através da barragem e fundação e as análise da estabilidade do maciço com apresentação das superfícies críticas de ruptura dos taludes e os correspondentes fatores de segurança envolvidos para cada condição de carregamento.
Finalmente no Capítulo 5, são apresentadas e sistematizadas as principais conclusões deste estudo.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Barragens de Terra e Enrocamento
A barragem é a estrutura que tem a função de represar a água, visando, com a elevação do nível d’água do rio, possibilitar a alimentação da tomada d’água. σo caso de locais de baixa queda, a barragem tem também a função de criar o desnível necessário à produção da energia desejada. (ELETROBRÁS, 2000)
As barragens de terra são construções de longa data. Um dos registros mais antigos é o de uma barragem de 12 m de altura, construída no Egito, há aproximadamente 6.800 anos, que rompeu por transbordamento. As barragens de terra eram homogêneas, com material transportado manualmente e compactado por pisoteamento, por animais ou homens (MASSAD, 2003).
O uso de enrocamento na construção de barragens iniciou-se provavelmente com os mineiros da Califórnia, na década de 1850, pois havia carência de material terroso. Os blocos de rocha eram simplesmente empilhados, sem nenhuma compactação. Em consequência, muitas barragens sofreram recalques bruscos quando do primeiro enchimento, pois diante da saturação, ocorria um “amolecimento” da rocha nos pontos de contato entre pedras, donde a “quebra das pontas” e os recalques. Hoje os aterros de enrocamento são construídos com rolos compactadores vibratórios, obtendo-se um entrosamento maior entre pedras (MASSAD, 2003).
A compactação mecânica só foi introduzida em meados do século XIX para o início do século XX, portanto, muito antes da Mecânica dos Solos se estabelecer em bases científicas. Segundo Vargas (1977), as primeiras barragens de terra brasileiras foram construídas no Nordeste, no início do século XX, dentro do plano de obras de combate à seca, e foram projetadas em bases empíricas. Somente em 1947, com a barragem do Vigário, atual barragem Terzaghi, localizada no Estado do Rio de Janeiro, é que se inaugurou o uso da moderna técnica de projeto e construção de barragem de terra no Brasil. Foi também um marco, em outro sentido, pois, pela primeira vez, Terzaghi empregou o filtro vertical ou chaminé como elemento de drenagem interna de barragem de terra.
A prática atual em projetos de aproveitamentos hidrelétricos tem adotado, preferencialmente, os seguintes tipos de barragem (ELETROBRÁS, 2000):
Barragem de terra, em seção homogênea em solo; Barragem de enrocamento;
Barragem de concreto, convencional ou compactado a rolo (CCR), em seção tipo gravidade.
O tipo de barragem, de terra, enrocamento ou de concreto, da mesma forma, varia em função dos aspectos topográficos, geológicos e geotécnicos.
Por exemplo, nos vales muito encaixados, em “V”, devem ser utilizadas barragens de concreto. Em planícies amplas, com relevo suavemente ondulado, são utilizadas barragens de terra, mistas ou de enrocamento, em função da disponibilidade de materiais de construção e das condições de fundação em cada local.
Nos locais onde o capeamento de solo é espesso, as barragens são de terra, normalmente com seção homogênea. Se o capeamento é pouco espesso, pode-se utilizar uma barragem com seção mista ou de enrocamento, em função do balanceamento de materiais - disponibilidade de rocha seja das escavações obrigatórias ou de pedreiras.
De acordo com Mello (1975), uma barragem deve ser vista como uma unidade ou um todo orgânico no espaço, compreendendo: a) a bacia da represa; b) os aterros de fundação, que são como prolongamento da barragem em superfície; c) as estruturas anexas ou auxiliares (vertedouros, descarregadores de fundo, tomadas d’água, galerias, túneis, casas de força, etc.); d) os instrumentos de auscultação (piezômetros, medidores de recalques, etc.), importantes para a observação do comportamento da obra, e e) as instalações de comunicação e manutenção. Existe também um outro todo no tempo ou nas atividades que, apesar de subsequentes no tempo, devem ser encaradas como inseparáveis ou, no mínimo, interdependentes: o projeto; a construção; o primeiro enchimento, que é o primeiro teste severo a que se submete uma barragem; a as vistorias periódicas da barragem em operação, para garantir a sua segurança em longo prazo. 2.1.1 Barragem de terra
Como descrito anteriormente esse tipo de barragem é apropriado para locais onde a topografia se apresente suavemente ondulada, nos vales pouco encaixados, e onde existam áreas de empréstimo de materiais argilosos/arenosos suficientes para a construção do maciço compactado.
Neste sentido a Eletrobrás (2003) destaca que, no projeto, deve ser analisado o balanceamento de materiais, no que diz respeito à utilização dos materiais terrosos provenientes das escavações exigidas para a execução da obra, como, por exemplo, as do canal de adução, se houver, e das fundações das estruturas de concreto.
Um local considerado adequado para implantação de uma barragem de terra, além dos aspectos anteriormente citados, deverá possuir as seguintes características:
Áreas de empréstimo e pedreiras localizadas em cotas superiores às da barragem, visando facilitar o transporte de materiais;
As fundações devem ter resistência e estanqueidade suficientes, de acordo com as recomendações para Preparo e Tratamento das Fundações apresentadas, mais adiante, neste capítulo; O eixo deve ser posicionado no local mais estreito do rio,
visando-se reduzir o volume da barragem;
As margens do reservatório devem ser estáveis, visando-se minimizar escorregamentos.
A correta utilização das condições topográficas na definição do posicionamento do vertedouro é importante. Essa estrutura, quando situada fora do corpo da barragem, como, por exemplo, nas ombreiras, facilita as condições de contorno do escoamento de aproximação, o que é desejável. Correntes com alta velocidade junto ao talude da barragem no contato com o vertedouro devem ser evitadas.
Como citado anteriormente, o tipo de barragem é escolhido em função das características topográficas e geológico-geotécnicas do sítio, considerando-se, ainda, a disponibilidade de materiais naturais de construção e o processo construtivo a ser utilizado.
O regime hidrológico da região, períodos chuvosos e secos, a intensidade das chuvas, etc. são aspectos que devem ser bem caracterizados. Em regiões com alto índice de pluviosidade, a baixa produtividade dos trabalhos de compactação afeta os prazos e custos do empreendimento.
Em função desses aspectos, tem-se utilizado barragens com seções homogêneas em solo e de enrocamento, cujos detalhes típicos são apresentados no próximo item 2.1.2. Caso o balanceamento de materiais mostre que existe volume de rocha excedente, a seção da barragem deve ser mista (terra-enrocamento), uma vez que, certamente, significará economia para o empreendimento.
Uma seção típica de uma barragem de Terra homogênea é apresentada na figura 2.1
2.1.2 Barragem de enrocamento
Também chamadas de barragem de terra-enrocamento esse tipo de barragem, com espaldares de rocha e núcleo impermeável, é apropriado para os vales medianamente encaixados em regiões rochosas, nas quais o capeamento de solo muitas vezes não existe ou é pouco espesso, onde existam condições adequadas de fundações e pedreiras facilmente exploráveis a custo competitivo e/ou excesso de escavações obrigatórias em rocha. A inexistência de áreas de empréstimo de solos argilosos torna antieconômica a adoção de barragem de terra nesses locais. Segundo Eletrobrás (2000) um local considerado adequado para a implantação de uma barragem de enrocamento deverá possuir as seguintes características:
Disponibilidade de material rochoso em quantidade suficiente. Normalmente é necessário desmontar 100 m3 de rocha para
cada 130 m3 lançado no corpo da barragem. As pedreiras devem
estar localizadas preferencialmente em cotas superiores às da área de construção da barragem, visando facilitar o transporte de materiais;
Possibilidade de utilização direta do material, sejam os mesmos provenientes da escavação das fundações das outras estruturas ou das pedreiras;
A largura do vale, na cota da crista da barragem, deve ser a mais estreita no trecho aproveitável do rio, visando-se reduzir o volume da barragem;
As fundações e as ombreiras devem ser resistentes e estanques; Facilidade de construção e de acessos.
O talude a jusante do núcleo impermeável da barragem de enrocamento convencional deverá ser protegido, visando evitar a fuga do material impermeável através dos vazios dos materiais granulares do espaldar de jusante.
A execução da proteção deverá ser realizada concomitantemente ao alteamento da zona impermeável.
Uma seção típica de uma barragem de Enrocamento é apresentada na figura 2.2
2.1.3 Dimensões Básicas
Através de estudos de estabilidade e por retro análise diversos autores recomendam dimensões básicas que devem ser observadas quando do dimensionamento geométrico para o projeto de uma barragem de terra e enrocamento. A Eletrobrás em Critérios de Projeto Civil para Usinas Hidrelétricas (2003) e Diretrizes para Estudos de Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas (2000), recomenda resumidamente as seguintes dimensões:
Largura da Crista (a)
Para todos os tipos de barragem de terra, a largura mínima da crista deverá ser de 3,0 m. Se a barragem for utilizada como estrada, a largura mínima será de 6,0 m.
Cota da Crista
A cota da crista da barragem é fixada considerando-se uma folga, denominada “borda livre”, acima da elevação do σA máximo normal de operação do reservatório, o qual corresponde ao nível que ocorrerá por ocasião da passagem da descarga de projeto pelo vertedouro.
A borda livre é função da profundidade da água junto à barragem, da extensão (L) da superfície do reservatório (“fetch”), medida perpendicularmente ao eixo da barragem, e do vento que sopra sobre a superfície da água.
A borda livre deve ser estimada utilizando-se os critérios do USBR (Saville / Bertram).
Inclinação dos Taludes
A inclinação dos taludes da barragem é caracterizada pelo coeficiente de inclinação “m”, que indica quantas vezes a projeção horizontal é maior que a projeção vertical. Esse coeficiente depende do tipo de barragem, do material empregado, da altura da barragem e do material da fundação. A tabela 2.1 apresenta os valores usuais para os casos nos quais o material de fundação não condiciona a estabilidade do talude (as fundações são mais resistentes que os maciços compactados das barragens).
ELETROBRÁS (2003) ainda recomenda que para barragens com alturas maiores que 10 m podem ser utilizados os mesmos coeficientes (inclinações), porém a estabilidade dos taludes deverá ser verificada para os casos correntes de carregamento (“Final de Construção”, “τperação σormal” e “Esvaziamento Rápido”).
Ainda em função da altura da barragem, e dependendo de cada caso, esses cálculos poderão ser realizados de forma simplificada, utilizando-se os tradicionais Ábacos de Estabilidade de Talude de Morgestern e Price, encontrados em diversos livros de Mecânica dos Solos.
Largura da Base da Barragem (b)
A largura da base (b) é calculada em função da geometria da barragem, utilizando-se a fórmula:
(1)
Onde:
a = largura da crista da barragem (m); m1 = inclinação do talude de montante; m2 = inclinação do talude de jusante; H = altura da barragem (m).
Tabela 2.1 – Inclinação recomendada para taludes (Eletrobrás, 2000)
(*) Valores usuais considerando-se que o material de fundação não condiciona a estabilidade do talude (casos nos quais as fundações são mais resistentes que os maciços compactados das barragens).
(**) Para barragens com altura > 10 m podem ser usadas as mesmas inclinações dos taludes para as barragens de terra, desde que a estabilidade da barragem seja verificada, como citado anteriormente. Para as barragens de enrocamento convencionais (como apresentado mais adiante) os taludes devem ter, no mínimo, uma inclinação de 1(V) : 1,65 (H).
A seção típica recomendada para as barragens de terra é apresentada na Figura 2.1 a seguir.
Figura 2.1 – Seção típica barragem homogênea (Eletrobrás, 2000) A seção típica recomendada para as barragens de enrocamento convencional é apresentada na Figura 2.2 a seguir.
Figura 2.2 – Seção típica barragem de enrocamento (Eletrobrás, 2000) É possível encontrar outros autores especialistas em barragens que também escrevem a respeito e recomendam inclinações de taludes preliminares que devem ser confirmados através de análises de permeabilidade. Cruz (2004) indica as seguintes inclinações:
* - No caso de barragens com pequena oscilação de NA os taludes de montante podem ser os mesmos de jusante.
**- Os taludes mais íngremes referem-se a rochas sãs, e desde que a largura da base do enrocamento seja no mínimo igual à altura da barragem.
Figura 2.3- Inclinações preliminares de taludes (Cruz, 2004) 2.2 Fluxo em Barragens
A compreensão adequada dos mecanismos de fluxo em meios porosos contínuos representa um dos campos mais apaixonantes e inesgotáveis da Geotecnia (CRUZ, 2004).
Segundo Massad (2003), para que ocorra movimento de água entre dois pontos (A e B) de um meio poroso, é necessário que haja, entre eles, uma diferença de carga total (ΔH=HA-HB). De acordo com a equação de
Bernoulli, a carga total em um ponto na água em movimento pode ser dada pela soma das cargas piezométrica, cinética e altimétrica, ou:
(2) Em que: h=carga total; u = poro-pressão; v = velocidade; g = aceleração da gravidade; γ w = peso específico da água.
Nos problemas de percolação de água pelos solos a água, a carga cinética é totalmente desprezível, pois as velocidades são muito baixas. De fato as velocidades dificilmente atingem valores de 10-2 m/s e o que resultaria em uma carga cinética de 0,00001m, valor desconsiderável, sendo assim, no estudo da percolação dos solos a equação básica é: Carga Total = Carga Altimétrica + Carga Piezométrica, ou:
(3) Sendo que a carga Altimétrica é simplesmente a diferença de cota entre o ponto considerado e uma cota de referência e carga piezométrica é a pressão neutra no ponto, expressa em altura de coluna d’água.
Em 1856, Darcy propôs a seguinte relação, com base no seu clássico experimento com permeâmetro:
(4)
Em que: Q= vazão da água; i = gradiente hidráulico;
A = área da seção transversal do permeâmetro; k= coeficiente de permeabilidade do solo.
O gradiente hidráulico nada mais é que a perda de carga total por unidade de comprimento, e o coeficiente de permeabilidade do solo mede a resistência do material ao fluxo da água e varia numa faixa muito ampla.
2.2.1 Coeficiente de Permeabilidade (k)
O coeficiente de permeabilidade (k) dos materiais ou ainda condutividade hidráulica é expressa cm/s ou m/s no SI e segundo Das (2007) depende de vários fatores: distribuição e tamanho dos poros, distribuição granulométrica, índice de vazios, rugosidade das particulas minerais e grau de saturação do solo. Massad (2003) simplificadamente resume que o coeficiente de permeabilidade mede a resistência “vscosa” que o solo impõe ao fluxo da água.
Souza Pinto (2006) afirma que os coeficientes de permeabilidade são tão menores quanto menores os vazios nos solos e, consequentemente, quanto menores as partículas. Alguns valores típicos são apresentados na tabela 2.2
Tabela 2.2 – Valores típicos de coeficiente de permeabilidade (SOUZA PINTO, 2006)
2.2.2 Fluxo Bidimensional
Quando o fluxo de água ocorre sempre na mesma direção, como no caso dos permeâmetros diz-se que o fluxo é unidimensional, nestes casos pode ser feita aplicação direta da Lei de Darcy, porém no caso de barragens e na maioria dos casos de engenharia a água não percola através do solo em apenas uma direção, nem é uniforme ao longo de toda a área perpendicular ao fluxo.
Nestas situações a percolação da água pode ser calculada por meio da utilização de gráficos denominados redes de fluxo (figura 2.4), cujo conceito tem como base a equação da continuidade de Laplace (equação 5), que define a condição de percolação em regime permanente (DAS, 2007)
Figura 2.4 – Rede de fluxo pelas fundações de uma barragem de concreto (SOUZA PINTO, 2006)
O trajeto que a água segue através de um meio saturado é designado Linha de Fluxo; pelo fato de o regime ser laminar, as linhas não se cruzam, a conclusão é constatada experimentalmente através de injeção de tinta em modelos de areia.
Por, outro lado como há uma perda de carga no percurso, haverá pontos em que uma determinada fração de carga total já terá sido consumida. O lugar geométrico dos pontos com igual carga total é uma equipotencial, ou linha equipotencial (MASSAD, 2003)
A equação de Laplace citada anteriormente é escrita da seguinte forma:
Onde: u e v são as velocidade de fluxo nas direções x e y, respectivamente de acordo com a lei de Darcy, tem-se:
(6) O sinal negativo se justifica pelo fato da carga h descer no sentido do fluxo.
Substituindo-se as equações (7) em (6) e considerando (solo homogêneo e isotrópico), temos:
(7)
que é a Equação de Laplace para duas dimensões.
Portanto o fluxo bidimensional pode ser estudado através de cinco métodos, (SOUZA PINTO, 2006; MASSAD, 2003):
Método Gráfico: isto é traçado da rede de fluxo, tal como apresentado na figura 2.4. A construção gráfica é feita por tentativas, a partir da definição das linhas de contorno. Naturalmente o traçado das redes requer experiência. Além disso, outro complicador é o fato de que em alguns casos, inclusive barragens de terra, a fronteira superior do fluxo não é previamente conhecida o que dificulta o traçado que neste caso inclui a obtenção desta linha.
Figura 2.5 – Rede de fluxo pelo interior de barragens de terra (SOUZA PINTO, 2006)
Modelos Físicos: é possível gerar um modelo reduzido, por exemplo, utilizando areia em uma caixa de madeira com uma face de vidro e impondo um fluxo de água com corantes, que cuja trajetória produzirá linhas de fluxo na areia. Logicamente é um processo caro e demorado que só se justifica do ponto de vista didático.
Figura 2.6 – Modelo reduzido (fonte: MARQUES E UNAS, 2010) Métodos Analíticos: soluções analíticas da equação de Laplace são restritas a alguns casos de geometria bem simples e, mesmo assim, as funções matemáticas usadas são muito complexas.
A solução analítica consiste na definição de uma função tal que, satisfaçam as condições de contorno.
Métodos Analógicos: Podem-se aplicar analogias com outros problemas físicos semelhantes. A dissipação de calor ou de potencial elétrico são problemas semelhantes ao da percolação; ambos podem ser expressos pela equação de Laplace. A analogia elétrica é a mais empregada. Nela, a voltagem corresponde à carga total, a condutibilidade à permeabilidade e a corrente à velocidade.
A utilização deste método foi verificada por diversos autores, dentre eles Marques & Unas (2010) que relataram resultados satisfatórios. Métodos Numéricos: Dada a dificuldade de se obter soluções analíticas para resolver o problema de fluxo em meios porosos, levou-se à utilização de soluções numéricas da equação de Laplace como o Método das Diferenças Finitas (MDF) ou pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). Quando se dispõe de ferramenta computacional eficiente, a resolução por métodos numéricos fornecem
soluções mais rápidas e com um bom nível de aproximação para problemas geotécnicos, quando bem formuladas as condições de contorno e bem definidos os parâmetros envolvidos.
O Método das Diferenças Finitas (MDF) essencialmente consiste na substituição da equação de Laplace por uma equação de diferenças finitas, substituição feita com o auxílio da fórmula de Taylor. A equação de diferenças finitas de primeira ordem é: que é aplicada aos nós de malha quadrada. Uma vez feita a divisão do meio contínuo, em malhas, escreve-se as equações lineares para cada nó e trata-se de obter a sua solução, por meio da computação eletrônica. O método dos Elementos Finitos é o método que será utilizado no estudo de caso deste trabalho para resolver o problema da percolação na barragem estudada. Portanto, será descrito no item a seguir de forma mais detalhada.
2.2.3 O Método dos Elementos Finitos (MEF)
O problema da percolação da água em meios porosos saturados, em regime permanente, é um problema de extremos, e este método se aplica a qualquer problema de extremos. Através do cálculo variacional, é possível construir uma função cujo mínimo, dentro da região ocupada pelo meio, é a solução procurada. Uma dedução desta função, a função da Dissipação, pode ser encontrada no livro de Zienkiewcz (1977). Segundo Massad (2003), o MEF consiste, em sua primeira etapa, na substituição do meio contínuo por elementos discretos, de tal forma que elementos adjacentes tenham alguns pontos em comum (nós externos); os elementos também podem ter também nos internos. Aos nós estão associados potencias que passam a ser as incógnitas procuradas. A discretização é completada admitindo-se que o potencial de um ponto qualquer do elemento é uma função das suas coordenadas; em geral, a função é um polinômio, que deve satisfazer algumas condições, como ser completo, para não haver direções preferenciais de fluxo, e permitir a compatibilidade dos valores potenciais relativos aos nós comuns a vários elementos. O mais simples dos elementos é o triangular, com os três nós coincidindo com os três vértices do triangulo; a ele está associado um polinômio do primeiro grau. Uma vez realizada a discretização, passa-se para a segunda etapa do método, que é a
minimização da Função de Dissipação, dentro da região ocupada pelo meio. Com isso chega-se a um sistema de equações lineares, em que as incógnitas são os potenciais nos nós, cuja solução deve ser obtida por meio de softwares computacionais levando-se em conta as condições de contorno.
No item 4 será apresentado o modelo em elementos finitos que foi utilizado neste trabalho bem como o funcionamento do software Seep/W que será utilizado para as análises de percolação na barragem estudada. 2.3 Estabilidade de Taludes em Barragens
Segundo Cruz (2004) muitos são os obstáculos que um engenheiro encontra quando procura analisar a estabilidade de um talude natural ou compactado. Três das principais dificuldades referem-se a:
selecionar os parâmetros de cálculo;
prever as condições do fluxo de água e as pressões piezométricas resultantes;
antecipar as formas mais prováveis de ruptura, as superfícies potenciais a elas associadas e os mecanismos de ruptura envolvidos.
Mecanismos de ruptura são aqueles que levam a um aumento dos esforços atuantes ou a uma diminuição da resistência do material que compõe o talude ou do maciço como um todo. O material que compõe um talude tem a tendência natural de escorregar sob a influência da força da gravidade, entre outras, que são suportadas pela resistência ao cisalhamento do próprio material.
Mohr (1900) apresentou a teoria para ruptura em materiais, em que afirmava que um material se rompe por causa da combinação da tensão normal e de cisalhamento e não da máxima tensão normal ou da de cisalhamento isoladas. Portanto a relação funcional entre tensão normal e a tensão de cisalhamento em um plano de ruptura pode ser expressa da seguinte forma:
(8)
Neste caso a envoltória de ruptura definida pela eq. (9) é uma linha curva. Para a maioria dos problemas de mecânica dos solos, é suficiente aproximar a tensão de cisalhamento no plano de ruptura para uma função linear da tensão normal (Coulomb, 1776). Essa função linear pode ser escrita como
Onde: c=coesão
φ=ângulo de atrito interno
= tensão normal no plano de ruptura
f = resistência ao cisalhamento
A equação precedente é chamada de Critério de Morh-Coulomb. Em um solo saturando, a tensão normal total em um ponto é a soma da tensão efetiva ( ’) e a poropressão (u) ou
(10)
A tensão efetiva ’ é suportada pelos sólidos do solo. O critério de ruptura Mohr-Coulomb, expresso em termos de tensão efetiva, será o seguinte:
(11)
τnde c’=coesão e φ’=ângulo de atrito, com base na tensão efetiva.
Figura 2.7 – Inclinação do plano de ruptura do solo em relação ao plano principal maior (Das, 2007)
Algumas das causas da instabilidade em taludes, ou seja, do aumento das tensões atuantes ou da diminuição das tensões resistentes, enumerados por Terzaghi (1952) podem ser:
Causas externas: ações externas que alteram o estado de tensão atuante sobre o maciço resultando num acréscimo de tensões cisalhantes que igualando ou superando a resistência ao cisalhamento, levam a ruptura, podem ocorrer devido a:
i. Mudança da geometria do talude (inclinação e/ou altura); ii. Aumento da carga atuante (por sobrecargas na superfície,
por exemplo); iii. Atividades sísmicas; iv. Cortes no pé do talude, etc.
Causas internas: ações internas que atuam reduzindo a resistência ao cisalhamento, sem alterar visualmente a geometria do maciço. Podem ser devido a:
i. Intemperismo/decomposição; ii. Erosão interna;
iii. Aumento da poro-pressão; iv. Decréscimo da coesão;
Causas Intermediárias: ações que podem ocorrer no maciço ou fundação devido à elevação do lençol freático ou do σível d’água do reservatório no caso de barragens.
A análise de estabilidade envolve um conjunto de procedimentos visando a determinação de um índice de grandeza que permita quantificar quão próximo da ruptura um determinado talude se encontra, para um determinado conjunto de condicionantes (pressões neutras, sobrecarga, geometria, etc).
Para realizar esta análise e estabilidade existem três categorias de métodos
Métodos observacionais: baseados na experiência acumulada com a análise estatística de rupturas anteriores (retro análise, ábacos de projeto, opinião de especialistas, etc.)
Métodos experimentais: empregam modelos físicos de diferentes escalas;
Métodos analíticos: baseiam-se nos modelos matemáticos de tensão e deformação e na teoria de equilíbrio limite que será vista a seguir.
De acordo com Calle (2000), o método analítico tem a vantagem de quantificar o grau de segurança, não sendo possível tal quantificação com outros tipos de métodos.
2.3.1 Os métodos de equilíbrio limite
Segundo Massad (2003) os métodos analíticos para análise da estabilidade de taludes, atualmente em uso, baseiam-se nas seguintes hipóteses:
a) o solo comporta-se como material rígido-plástico, isto é, rompe-se bruscamente sem se deformar, e está na iminência de entrar em um processo de escorregamento. Daí a denominação geral de “métodos de equilíbrio limite”
b) as equações de equilíbrio estático são válidas até a iminência da ruptura, quando na realidade o processo é dinâmico; c) o coeficiente de segurança (FS) é constante ao longo da linha
de ruptura, isto é, ignoram-se eventuais fenômenos de ruptura progressiva.
d) Respeita a equação de Coulomb ao longo da linha de deslizamento.
A partir de 1916, motivados pelo escorregamento que ocorreu no cais de Stigberg, em Gotemburgo, os suecos desenvolveram os métodos de análise hoje em uso, baseados no conceito de “equilíbrio limite” tal como definido acima. Constataram que as linhas de ruptura eram aproximadamente circulares e que o escorregamento ocorria de tal modo que a massa de solo instabilizada se fragmentava em fatias ou lamelas, com faces verticais. τ conceito de “circulo de atrito” e a divisão da massa de solo em “lamelas” (ou fatias) já eram praticadas naquele tempo. Na década de 1930 Fellenius estendeu a análise para levar em conta também a coesão na resistência ao cisalhamento do solo, além de considerar casos de solo estratificado.
Partindo-se do conhecimento das forças atuantes, são determinadas as tensões de cisalhamento induzidas, através das equações de equilíbrio; a análise termina com a comparação dessas tensões com a resistência ao cisalhamento do solo em questão.
Segundo Cruz (1996) as forças atuantes na cunha de solo são: peso próprio da cunha P (ação da gravidade)
pressões neutras distribuídas ao longo da superfície de escorregamento, desenvolvidas durante o próprio processo construtivo (aterros compactados) e/ou resultantes de um
regime de percolação de água qualquer. A resultante dessas forças é U.
uma pressão normal efetiva ’ distribuída ao logo da superfície de escorregamento;
tensões de cisalhamento distribuídas também ao longo da superfície de escorregamento
Figura 2.9 – Forças atuantes numa superfície cilíndrica (WHITMAN, 1963) A partir dessas últimas hipóteses, as tensões distribuídas ao longo da superfície de escorregamento podem ser substituídas pelas três resultantes:
a) Resultante da coesão c. A linha de ação de c é conhecida; b) Resultante das pressões normais efetivas σ’. Tanto a grandeza
como a linha de ação de σ’, são desconhecidas, embora σ’ tenha de ser, por definição, normal a superfície de escorregamento;
c) Resultante do atrito Rφ que deve ser normal a σ’, e Rφ = σ’tgφ.
No entanto Rφ é desconhecida.
Portanto vê-se que há quatro incógnitas: Fs (o Fator de segurança envolvido), a grandeza de σ’, a direção de σ’ e Rφ. Logo só existem três
equações de equilíbrio estático, o problema é indeterminado.
Sendo fator de segurança o valor numérico da relação estabelecida entre a resistência ao cisalhamento disponível do material ( ), a resistência ao cisalhamento mobilizado para garantir o equilíbrio do corpo deslizante sob o efeito dos esforços atuantes (BUENO; VILAR, 1985). Simplificadamente pode ser definido como a razão entre esforços estabilizantes (resistentes e esforços instabilizantes (atuantes) (VANMARCKE, 2011)
(11)
Quando, no procedimento de cálculo a superfície é dividida em lamelas ou fatias, tem-se a condição da figura XX, que mostra as forças atuantes numa lamela. Se o número de lamelas for igual a n, as incógnitas serão em número de 6n-2, assim distribuídas:
Figura 2.10 – Forças atuantes em uma fatia vertical (Sarma, 1979) Sendo:
n número de forças efetivas σ’ (ou de forças normais totais σ); n número de forças de cisalhamento T;
(n-1) número de forças entre lamelas (body forces) expressas em pressões efetivas E’ ou pressões totais E;
(n-1) número de forças entre lamelas (body forces)
(n-1) número de pontos de aplicação da força E’ (ou E) dado por Z;
n número de pontos de aplicação da força σ’ (ou σ) dado por 1; 1 número do coeficiente de segurança Fs
Assim, tem-se:
(12) Para que haja equilíbrio, cada lamela deve satisfazer às três equações:
Forças verticais = 0; Forças horizontais = 0.
Dispõe-se, portanto de, 4n equações. Comparando com o número de incógnitas conclui-se que é necessário formular 2n-1 hipóteses independentes para resolver o problema.
Segundo Massad (2003) para levantar essa indeterminação, são adotadas alguma hipóteses que simplificam o esquema das forças associadas às lamelas. Como existem muitas maneiras de se levantar esta indeterminação, é grande a quantidade de métodos atualmente em uso. As tabelas 2.3 e 2.4 a seguir apresentam os métodos para cálculo de estabilidade por equilíbrio limite mais utilizados atualmente e suas principais características.
Tabela 2.3 – Características dos métodos das fatias não rigorosos (DE CAMPOS, 1985)
Método Hipóteses Comentários (Tipo de Superfície de Ruptura) Fellenius (1927)
- Fatias Não considera forças entre fatias (Circular)
Bishop Simplificado (1955) – Fatias
Resultante das forças entre fatias é horizontal
(Circular) – n hipóteses sobre o ponto de aplicação da força normal e (n-1) sobre a magnitude das forças tangenciais entre fatias. Fs é determinado a partir da consideração de equilíbrio de momentos.
Jambu Simplificado (1968) – Fatias
Resultante das forças entre fatias é horizontal. Um fator f0 é usado para levar em conta os efeitos das forças tangenciais.
(Qualquer) – Valores de f0 sugeridos para condições de solos homogêneos. Fs é determinado a partir do equilíbrio de forças.
Jambu Generalizado (1968) – Fatias
Localização da força normal entre fatias definida por uma linha de empuxo arbitrária
(Qualquer) – n hipóteses sobre o ponto de aplicação das forças normais entre fatias. Posição da última não é usada, com o equilíbrio de momentos não sendo satisfeito na última fatia. Fs determinado a partir do equilíbrio de forças e de momentos.
Tabela 2.4 - Características dos métodos das fatias rigorosos (DE CAMPOS, 1985)
Método Hipóteses Comentários (Tipo de Superfície de Ruptura)
Morgenstern-Price (1965) - Fatias
Direção das forças entre fatias definidas usando uma função arbitrária f(x). A parcela de f(x) necessária para satisfazer o equilíbrio de forças e de momentos é calculada.
(Qualquer) – n hipóteses sobre o ponto de aplicação da força normal e (n-1) sobre a magnitude relativa das forças entre fatias. Uma incógnita λ é introduzida. Fatias são de espessura infinitesimal
Spencer (1967) - Fatias
Resultante das forças entre fatias têm inclinações constantes através da massa do solo.
(Qualquer) – método semelhante ao de Morgenstern-Price com f(x)=1 Sarma (1973) - Fatias
Resistência interna entre fatias é mobilizada. Distribuição das resultantes das forças tangenciais entre fatias definidas com base em uma função arbitrária. A porcentagem da função λ necessária para satisfazer o equilíbrio de forças e momentos é calculada.
(Qualquer) – n hipóteses sobre o ponto de aplicação da força normal e (n-1) sobre a magnitude relativa das forças tangenciais entre fatias. Incógnita λ introduzida.
Sarma 1979 - Cunhas
Assume que a resistência ao cisalhamento é mobilizada nos lados de todas as cunhas. A inclinação das interfaces faz cunhas é variada para produzir uma condição crítica de equilíbrio.
(Qualquer) – (n-1) hipóteses sobre o ponto de aplicação das forças normais ou das forças tangenciais entre cunhas e (n-1) sobre o valor relativo das forças entre cunhas. Solução obtida na forma de um fator de aceleração crítico K c. De acordo com GEO-SLOPE (2008) estes métodos são bastante similares, as diferenças entre eles dependem de: quais as equações estáticas são consideradas e satisfeitas; quais as forças entre fatias são incluídas e qual a relação considerada entre as forças cisalhante e normal entre as fatias.
Na análise numérica computacional deste trabalho (item 4) será utilizado o método de Bishop e o método de Morgenstern-Price que como foi visto, é um dos métodos mais rigorosos para este tipo de análise e conta com equilíbrio de forças e momentos.
3. ESTUDO DE CASO: BARRAGEM PCH XAVANTINA 3.1 Aspectos Gerais do Projeto
A PCH Xavantina é uma Pequena Central Hidrelétrica, localizada no Rio Irani, entre os municípios de Xanxerê e Xavantina, na região oeste de Santa Catarina. A PCH Xavantina tem potência instalada de 6,05 MW, distribuídos em duas unidades geradoras do tipo Kaplan com gerador a montante. O arranjo geral conta com barragem de terra e enrocamento, vertedouro de soleira livre, tomada d’água, condutos forçados e casa de força.
A figura 3.1 apresenta uma imagem aérea do empreendimento em construção.
Figura 3.1 – Imagem aérea da usina
ARRANJO GERAL DO EMPREENDIMENTO
O arranjo geral do empreendimento conta com desvio do rio escavado em rocha na margem direita, barragem de terra e enrocamento no leito do rio e ombreira esquerda, vertedouro de soleira livre, tomada d’água escavada em rocha, condutos forçados e casa de força.
Segundo Eletrobrás (2003) este tipo de arranjo é ideal para Locais sem Queda Natural Localizada. Nesses locais, o desnível é criado pela própria barragem, tem-se, normalmente, um arranjo compacto com as estruturas alinhadas e com a casa de força localizada no pé da barragem.
A adução é feita através de uma estrutura de tomada d’água, convencional entre o vertedouro a barragem, interligada à casa de força através de dois condutos forçados.
A casa de força encontra-se no pé da barragem e é equipada com duas turbinas tipo Kaplan de eixo horizontal com capacidade instalada de 3MW cada.
As figuras 3.2 e 3.3 apresentam o arranjo geral do empreendimento
Figura 3.3 – Principais estruturas Tabela 3.1 – Principais dados do projeto
Parâmetro Valor
Nível d'água máximo maximorum de montante(m) 466,37 Nível d'água máximo normal de montante(m) 462,37 σível d’água máximo normal de jusante (m) 442,38
Queda bruta (m) 19,99
Queda de Referência (m) 19,18
Área do reservatório no NA max normal (km²) 0,319
Potência instalada (MW) 6,00
Energia média (MW médios) 3,55
Número de unidades geradoras 2
Vazão MLT (m³/s) 28,4
Vazão turbinada (m³/s) 36,13
Vazão de Projeto do Vertedouro (m³/s) - Q1.000 anos 1.789 Vazão Decamilenar (m³/s) - Q10.000 anos 2.267
Vazão de Q100 anos (m³/s) 1.310
LOCALIZAÇÃO E ACESSOS
A PCH Xavantina está localizada no rio Irani na Bacia 7 – Bacia do Rio Uruguai Sub-Bacia 73 – rio Irani. A tomada d’água situa-se na margem direita do rio Irani em seu km 73,4, contado para montante a partir da foz no rio Uruguai.
A PCH Xavantina localiza-se na divisa dos municípios de Xanxerê e Xavantina, podendo ser acessada da sede de ambos os municípios pela SC-466 e posteriormente por estradas vicinais em condições (Figura 3.4). A figura 3.5 apresenta a localização do empreendimento em relação ao rio Irani
Figura 3.4 - mapa de localização da PCH Xavantina
[B1] Comentário: As legendas das ilustrações e tabelas devem ter fonte 9,5.
Figura 3.5 - localização da barragem em relação ao rio
Irani
3.2 Aspectos geológico-geotécnicosA área encontra-se inserida sobre os derrames basálticos da Formação Serra Geral, mais precisamente sobre a Unidade Alto Uruguai. A litologia predominante no local é o basalto maciço, nas cotas superiores à 460,00m, sendo que nesta cota ocorre o contato entre dois derrames basáltico, com brecha basáltica e basalto avermelhado com estruturas vesiculares e amigdaloidais ocorrendo abaixo dessa cota.
A cobertura de solos na área é constituída por solos de origem coluvionar, principalmente depósitos de tálus, com pouco transporte do solo desde o local de origem. São solos argilosos, de coloração avermelhada a marrom, onde é comum a ocorrência de blocos de rocha misturada ao solo, em especial em locais próximos a fundos de vales. A camada mais profunda, em geral, é constituída por saprólito de basalto, onde pode-se observar que as estruturas da rocha sã ainda estão preservadas.
3.2.1 Programa de sondagens
Foram realizadas sondagens rotativas e sondagens a percussão em toda a região do empreendimento. As sondagens utilizadas neste trabalho são àquelas executadas na região do barramento, identificadas como: SR-01; SR-02; SR-203; SP-01; SP-02, conforme apresenta a figura 3.8:
Figura 3.6 – Planta de localização de sondagens
As seções geológicas traçadas na região da barragem (Seção B) e casa de força (seção C) modeladas com base nas sondagens encontram-se no item 3.2.2 Seção Geológica.
O quadro 3.1 apresenta a profundidade das sondagens rotativas. Tabela 3.2 – Dados das sondagens
SONDAGEM TIPO LOCALIZAÇÃO PROFUNDIDADE (m)
SR-01 ROTATIVA BARRAGEM 21,10
SR-01 ROTATIVA BARRAGEM 20,20
SR-203 ROTATIVA CASA DE FORÇA 25,11
SPT-01 PERCUSSÃO BARRAGEM 1,15
As sondagens na PCH Xavantina foram executadas obedecendo as seguintes prescrições normativas:
NBR 6484/01 - EXECUÇÃO DE SONDAGENS DE SIMPLES RECONHECIMENTO;
NBR 7550/82 - IDENTIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO DE AMOSTRAS DE SOLO OBTIDAS EM SONDAGENS DE SIMPLES RECONHECIMENTO DOS SOLOS;
NBR 6502/80 - ROCHAS E SOLOS – TERMINOLOGIA; NBR 13441/95 ROCHAS E SOLOS – SIMBOLOGIA;
ABGE – BOLETIM 02 EσSAIτS DE PERDA D’ÁGUA SτB PRESSÃO;
ABGE – BOLETIM 03 MANUAL DE SONDAGENS;
ABGE – BOLETIM 04 ENSAIOS DE PERMEABILIDADE EM SOLOS.
SONDAGEM ROTATIVA
A Sondagem Rotativa é um método de investigação que consiste no uso de um conjunto motomecanizado projetado para a obtenção de amostras de materiais rochosos, continuo, e com formato cilíndrico, através de ação perfurante dada basicamente por forcas de penetração e rotação que, conjugadas, atuam com poder cortante. A amostra de rocha obtida e chamada de testemunho.
A operação da sondagem rotativa se faz por ciclos sucessivos de corte e retirada dos testemunhos do interior do barrilete, procedimento este denominado manobra (Mn). O avanço de cada manobra depende basicamente da qualidade do material que esta sendo perfurado. Quando a rocha é de boa qualidade, o comprimento de testemunho obtido em cada manobra pode ser quase igual ao comprimento do barrilete (1,5 m a 3,00 m).
Entretanto, quando ocorre perda ou destruição de material, em terrenos de difícil amostragem, o comprimento de cada manobra deve ser diminuído, até o mínimo necessário.
Os dados de sondagem (boletins sondagem rotativas, percussivas, ensaios de perda d’água sob pressão e ensaio de infiltração) encontram-se integralmente no Anexo 1.
A campanha de sondagem rotativa realizada na região da barragem da PCH Xavantina obteve bons resultados, o material encontrado foi Basalto maciço e Brecha basaltica formação serra geral. As
características do maciço encontrado foram classificadas segundo os parâmetros geológico-geotecnicos da ABGE, resumidamente, em: Tabela 3.3 – Caracterização resumida do maciço rochoso de fundação
PARÂMETRO GRAU DENOMINAÇÃO
Grau de alteração A2 Rocha pouco alterada Coerência C1 a C3 Rocha medianamente a muito coerente Fraturamento F2 e F3 Muito fraturada a pouco fraturada A recuperação dos testemunhos de sondagem e considerada muito boa, tendo em vista o baixo grau de faturamento do maciço rochoso. O Índice de Qualidade da Rocha (R.Q.D), apresentou valores considerado de regular (50% – 75%) a bom (75% – 90%).
SONDAGEM A PERCUSSÃO
A Sondagem a Percussão ou Sondagem de Simples Reconhecimento do Solo, ou ainda, sondagem com SPT é o processo de investigação mais comum empregado na caracterização da cobertura terrosa dos terrenos naturais. O equipamento utilizado é simples e consta basicamente de um tripé, uma bomba de água, um tanque de 200 litros e ferramentas de corte do solo.
ENSAIO SPT
A cada metro da perfuração é feito um ensaio de cravação de um barrilete, tubo oco de 45 cm, no fundo do furo, para medida de resistência do solo e coleta de amostra pouco deformada.
Para cravar o barrilete é usado o impacto de uma massa metálica de 65 kg caindo em queda livre de 75 cm de altura sobre um ressalto da parte superior do hasteamento a ele conectado.
O resultado do teste SPT corresponde à quantidade de golpes necessária para fazer penetrar, no fundo do furo, o barrilete amostrador, nos seus últimos 30 cm.
As sondagem a SPT neste trabalho serviu apenas para justificar os desenhos das seções geológicas que serão apresentadas a seguir, uma vez que a barragem tem fundação integralmente sobre rocha. 3.2.2 Seção Geológica
Com base nos dados das sondagens rotativas e percussivas executadas foram traçadas duas seções geológicas. Seção B passando pelo eixo da
fundação do barramento (figura 3.7) e Seção C passando pelo circuito de geração (figura 3.8).
Figura 3.7 - Seção geológica passando pelo eixo da barragem
3.3 Materiais de Construção
As características dos materiais disponíveis é um dos fatores de grande influência na escolha do tipo de seção a utilizar. A princípio todos os materiais são potencialmente úteis para o emprego na seção da barragem, incluindo solos e rochas. Porém os materiais provenientes de escavação nas proximidades da barragem serão os primeiros a serem analisados e eventualmente utilizados, pois geralmente são mais econômicos (ELETROBRÁS, 2003).
A tabela 4.1 apresenta os materiais utilizados na construção da Barragem da PCH Xavantina
